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作者:张学礼 来源:科学时报 发布时间:2010-5-17 1:48:58
构建高效细胞工厂 提升生物制造水平

    ▲张学礼 中科院天津工业生物技术研究所(筹)研究员,博士生导师。2005年获上海交通大学生物化学与分子生物学博士学位,2005年至2009年在美国佛罗里达大学先后任博士后和科研助理教授,2009年入选中国科学院百人计划。目前研究方向为微生物代谢工程。

 


▲高效微生物细胞工厂示意图

 
□张学礼
 
为了从根本上解决资源、能源和环境问题,构建可持续发展社会,必须对现有的产业结构进行调整。以可再生的生物质资源代替不可再生的石化资源,以生物制造技术代替石化制造技术,从而将高能耗高污染的石化经济转变为节约型绿色生物经济。生物制造的核心技术是构建高效的微生物细胞工厂。生物质在细胞工厂内可以被转化为生物能源、大宗化学品和高价值精细化合物,从而取代基于石油的化工制造。许多传统的欧美化工巨头,如杜邦、嘉吉、巴斯夫、德固赛已经逐步在从化工制造向生物制造方向转变,杜邦公司的生物制造已经占到其生产总值的20%。传统的生物技术公司,如杰能科、帝斯曼等在开发微生物细胞工厂方面的科研投入也逐年加大,同时还和化工企业强强联合。典型的案例是杰能科和杜邦公司合作,成功开发了高产1,3-丙二醇的细胞工厂。另一方面,近几年来许多中小型生物技术研究公司也迅速成立,如Metabolix、Amyris、LS9、Myriant、Metabolic Explorer等。这些研究型公司将主要研究力量集中在构建高效微生物细胞工厂,开发出很多重要化合物的生物制造技术,如纤维素乙醇、乳酸、丁二酸、聚羟基脂肪酸脂(PHA)、各种氨基酸、1,3-丙二醇等。
 
高效细胞工厂的属性
 
微生物细胞工厂的生产能力是决定其能否和石化制造相竞争的最主要因素。一个高效的细胞工厂必须具备以下6点重要属性:1)生理遗传背景清晰、易于遗传改造,有很好的遗传稳定性。这样我们才能有效地对细胞工厂进行遗传改造,提高其生产能力,拓展其产品范围。2)生长速度快,合成代谢能力强,有很高的生产产量、生产速率和产率。这样才能够降低生物制造的成本。3)发酵工艺简单,易于操作,从而降低设备投资和操作运营成本。4)能利用简单无机盐培养基,能利用便宜的碳源,从而节约生产成本。5)为了不与人争粮,将来必须要使用纤维素为原材料。因此细胞工厂要能利用木质纤维素中的所有糖组分。6)生理性能优越,能够耐高温、低pH、高渗透压、高产物浓度,从而在各种生产环境下均能高效运转。
 
高效细胞工厂的设计、构建和优化
 
为了获得一个高效的微生物细胞工厂,需要经过设计、构建和优化三个步骤。在明确了产品目标后,首先面临的问题是如何设计出高效生产目标产物的细胞工厂。微生物的代谢网络非常复杂,大部分微生物的发酵产物都是多种化合物的混合物,因此需要在系统研究微生物代谢网络的基础上对其进行改造,从而使它能高效专一地生产目标产品。系统研究微生物代谢网络最有效的方法是构建代谢网络模型。微生物全基因组序列的测定以及基因功能注释工具的开发使得我们可以构建基因组水平的代谢网络模型,从而大大提高了我们分析代谢网络结构的能力。到目前为止,科学家们已经完成了大约20个微生物的代谢网络模型。这些模型使我们能够从系统水平上认识复杂的微生物代谢网络、预测细胞生理属性、预测遗传改变或环境扰动后细胞的代谢应答、模拟筛选出遗传改造的靶点基因,从而为细胞工厂的设计奠定良好的基础。
 
代谢网络模型的建立及计算机模拟分析为细胞工厂的设计提供了基础,细胞工厂构建的具体实施则需要通过对其进行遗传改造来完成。常用的遗传操作手段有基因敲除、基因高效表达、基因整合、基因表达调控(转录水平和转录后水平)等。基因敲除和基因整合是构建微生物细胞工厂时广泛使用的两个有力工具。基因敲除可以用于失活竞争途径,从而使代谢通量更多地流入目标产品的生产。基因整合则可以将外源基因片断引入到细胞工厂中,从而使其能够生产以前不能合成的产品。基因表达调控是另一个常用的遗传改造策略。通过构建具有不同表达强度的启动子文库,以及控制转录后的过程,如转录终止、mRNA降解和翻译起始等,可以对基因表达的强度进行调控,从而控制代谢通量的分布,更有效地合成目标产品。
 
通过细胞工厂的设计和构建,可以获得一个初级的细胞工厂,然而其生产能力和生理性能还有很多不足,远不能达到工业化生产的要求,因此必须对细胞工厂进行优化。遗传突变是细胞工厂生产能力和生理性能提高的基础,过去科学家们大多是通过随机诱变的方法获得突变菌株。然而这种方法会在微生物基因组上造成随机突变,其中很多是对细胞生长代谢不利的。通过进化代谢技术,可以很有效地引入对细胞生长和合成代谢有利的突变。进化代谢技术的核心是将细胞生长和目标产物的合成偶联起来。通过在发酵反应器中连续传代培养微生物筛选生长速率越来越快的突变菌,从而同步筛选出目标产物产量、生产速率和产率均显著提高的突变菌。另外,近年来科学家们开发了多种全局扰动技术,可以有针对性地在微生物基因组上造成突变,结合高通量筛选目标生理性能,获得遗传背景清晰的代谢工程菌。在成功引入突变提高细胞工厂生产能力和生理性能后,需要利用反向代谢工程,快速有效地鉴定出突变发生的位点,从而可以将这些突变转移到初级细胞工厂或工业菌株中,进一步优化细胞工厂的性能。高通量组学分析技术可以在多个水平(基因组、转录组、蛋白组、代谢组、代谢通量组)对细胞工厂进行分析,大大提高了反向代谢工程中分析鉴定突变的能力。这些技术的发展对优化细胞工厂性能起到很大的推动作用。
 
综上所述,开发高效微生物细胞工厂能够极大地提升目前工业微生物的生产能力和生理性能,降低生物制造的生产成本,拓展生物制造的产品范围。随着系统生物学和合成生物学等新技术的迅速发展,微生物细胞工厂的开发技术也将越发完善。其必将极大地推动传统石油化工制造行业的产业升级,为人类社会的可持续发展作出巨大的贡献。
 
《科学时报》 (2010-5-17 B2 技术·产业)
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